鋼結(jié)構(gòu)廠房性能的分析與研究

韓樹國

(鄭州交通建設(shè)投資有限公司,河南鄭州 450000)

鋼結(jié)構(gòu)廠房性能的分析與研究

韓樹國

(鄭州交通建設(shè)投資有限公司,河南鄭州 450000)

地震對工業(yè)廠房有沖擊作用大、作用時(shí)間短、作用頻率高等一系列特點(diǎn)。目前我國對于鋼混結(jié)構(gòu)廠房的抗震性能做出了巨大的研究成果。但是隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,大量鋼結(jié)構(gòu)廠房廣泛運(yùn)用。本文在鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展、總結(jié)與概括的基礎(chǔ)上通過對地震沖擊荷載的分析并運(yùn)用動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)行了以下幾方面工作:(1)對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析,研究得到鋼結(jié)構(gòu)廠房在抗震以及施工方面的薄弱環(huán)節(jié)。(2)細(xì)致介紹鋼結(jié)構(gòu)廠房在抗震方面的主要原則并概括了地震作用計(jì)算的一般規(guī)定。(3)通過分析對廠房進(jìn)行抗震性能分析,總結(jié)了工業(yè)廠房在地震位移作用下的主要位移方向。(4)對反應(yīng)譜理論進(jìn)行總結(jié)與概括,分析了反應(yīng)譜理論在結(jié)構(gòu)抗震性能研究與分析中的優(yōu)缺點(diǎn),得到了在運(yùn)用反應(yīng)譜理論時(shí)應(yīng)注意的重點(diǎn)。

鋼結(jié)構(gòu) 廠房 抗震性能 施工 研究與分析 反應(yīng)譜理論

1 概述

1.1 鋼結(jié)構(gòu)主要發(fā)展歷程

鋼結(jié)構(gòu)[1]是隨著人類社會(huì)冶鐵技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的一種建筑結(jié)構(gòu)。隨著人類社會(huì)冶金技術(shù)的發(fā)展以及新材料的不斷問世，鋼結(jié)構(gòu)廠房在近幾年快速發(fā)展，逐漸趕超原有的磚混以及框架結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)與原有結(jié)構(gòu)相比主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):

(1)材料強(qiáng)度高，可以適應(yīng)各種大跨徑結(jié)構(gòu)；材料塑形好，在收到過載破壞時(shí)不會(huì)突然破壞，只會(huì)柔性破壞。易發(fā)現(xiàn)，好補(bǔ)救。

(2)鋼結(jié)構(gòu)為框架式結(jié)構(gòu)，自重小。自重的減輕降低了對地基承載力的要求，極大地降低了地基處理的成本與造價(jià)并增大了廠房適應(yīng)性。

(3)鋼結(jié)構(gòu)廠房在使用過程中由于體積小，所以廠房可使用面積大。

(4)制作方便，成型速度快。鋼結(jié)構(gòu)廠房十分適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)，現(xiàn)場只需進(jìn)行安裝與少量的特殊加工即可，省去模板搭支等準(zhǔn)備工作。所以可以建成速度快。

1.2 工業(yè)廠房抗震防震重要性與發(fā)展歷程

地震自人類社會(huì)存在伊始，一旦發(fā)生便會(huì)對人類的生命與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重大的影響。地震[2]具有難預(yù)測，沖擊作用大、破壞性強(qiáng)、波及范圍廣等特點(diǎn)。地震可以在一瞬間產(chǎn)生巨大的破壞力并引發(fā)其他次生災(zāi)害。地震對建筑物的破壞作用主要有以下幾點(diǎn)組成:

(1)破壞建筑物的整體性。建筑物是由許多構(gòu)件組合而成，各個(gè)構(gòu)件之間相互連接相互作用形成約束，從而保證了建筑物可以有效長期的承受荷載。但是地震一旦放生，如果結(jié)構(gòu)物連接部位有薄弱處，便會(huì)隨著位移產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力集中，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物連接與約束能力的喪失。結(jié)構(gòu)物的整體性能便會(huì)受到極大的破壞，最終導(dǎo)致建筑物無法使用甚至垮塌。

(2)地震的發(fā)生會(huì)極大的降低建筑物的耐久性能。地震發(fā)生時(shí)會(huì)對建筑物產(chǎn)生極大的沖擊作用。這些沖擊作用會(huì)使建筑物產(chǎn)生多方向不均等位移。由于建筑物受到極大的位移影響會(huì)使建筑物產(chǎn)生大梁的變形與裂縫，輕則建筑物耐久性降低，重則建筑物直接失效。

(3)地震作用直接導(dǎo)致地基承載力損失甚至失效。由于地震破壞性質(zhì)的特殊性，會(huì)直接對地基產(chǎn)生破壞。甚至有時(shí)會(huì)直接導(dǎo)致地基失效，例如房屋直接沉陷等等現(xiàn)象。

2 廠房施工中注意要點(diǎn)

2.1 工業(yè)廠房剛架的安裝

門架[3]在風(fēng)力較強(qiáng)的時(shí)候經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)被風(fēng)拔出地面的情況。所以在風(fēng)大地區(qū)的廠房建造中一定要注意門架在安裝后的抗拔力。像地錨這種抗拔構(gòu)造一定要作為施工控制重點(diǎn)嚴(yán)密布控。

2.2 端板與保溫材料的處理

端板作為連接的重要部位，一旦在施工中有所大意，就容易出現(xiàn)連接不嚴(yán)的情況。由于鋼結(jié)構(gòu)廠房容易受到雨水侵蝕，特別是在大雪覆壓的情況下，很有可能出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象，所以端板處理必須要認(rèn)真仔細(xì)，符合規(guī)范。而保溫層由于其材料特殊性質(zhì)，當(dāng)受到雨水侵蝕時(shí)，保溫材料會(huì)急劇增重，從而導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)廠房過載而垮塌。所以在保證端板的情況下也要保證保溫材料的防水施工。

2.3 支撐體系的設(shè)置

支撐體系作為鋼結(jié)構(gòu)廠房的主要承重構(gòu)件之一。一定要具有承載力強(qiáng)、抗腐蝕性好、剛度要求高、耐久性好等特性。所以在支撐體系施工方面一定要嚴(yán)格按照圖紙施工，不能偷工減料，不能任意增減檁條數(shù)量以及安裝方式。加強(qiáng)支撐體系安裝預(yù)處理質(zhì)量管理。

3 廠房整體結(jié)構(gòu)分析

通過在設(shè)計(jì)與施工中的長期經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，我們可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)的自振與外部荷載沒有關(guān)系，結(jié)構(gòu)自振主要是由結(jié)構(gòu)的自身特性所決定。決定結(jié)構(gòu)自振頻率的主要特性有:質(zhì)量、剛度、連接方式、材料等。結(jié)構(gòu)自身變形由結(jié)構(gòu)的自振特性決定。所以在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)自振特性分析與動(dòng)力特性分析是極其重要的。

通過運(yùn)用軟件分析與模擬[4]以及實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)我們可以得到以下幾條結(jié)論:

(1)鋼結(jié)構(gòu)廠房的自振基頻通常情況下與廠方跨度有關(guān)。

(2)通過軟件模擬與實(shí)際施工中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)我們可以認(rèn)為，鋼結(jié)構(gòu)廠房的豎向自振頻率對結(jié)構(gòu)的整體性以及使用性能影響細(xì)微，可以忽略不計(jì)。

(3)一般情況下，廠房的薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生在榀與榀之間，所以這個(gè)部位一定要作為設(shè)計(jì)與施工時(shí)的控制重點(diǎn)。

4 反應(yīng)譜理論在鋼結(jié)構(gòu)廠房防震性能分析中的應(yīng)用

4.1 反應(yīng)譜理論的優(yōu)缺點(diǎn)

1943年提出的反應(yīng)譜[5]的概念被提出，1948年基于反應(yīng)譜理論的抗震性能計(jì)算方法被提出。從此反應(yīng)譜理論開始在建筑結(jié)構(gòu)物抗震性能計(jì)算中被廣泛運(yùn)用。反應(yīng)譜理論被廣泛運(yùn)用后，關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)物的抗震性能研究也進(jìn)入了動(dòng)力學(xué)的階段。反應(yīng)譜理論主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):

(1)計(jì)算量較小。由于反應(yīng)普理論自身的架構(gòu)特性，在一般情況下會(huì)做線性假定。

這樣一來，在計(jì)算過程中只需要考慮個(gè)別幾個(gè)低階振型既可，極大的降低了運(yùn)算量與運(yùn)算難度。

(2)容易被接受，易用于實(shí)際計(jì)算。由于反應(yīng)譜理論的獨(dú)特性，反應(yīng)譜理論在計(jì)算動(dòng)力學(xué)問題時(shí)可以將動(dòng)力學(xué)問題完美轉(zhuǎn)化為靜力學(xué)問題。這樣的計(jì)算方式已與工程師們接受并易于有的放矢。

雖然反應(yīng)譜理論有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)但也有自身的一些缺點(diǎn)難以避免:

(1)對于一般情況可以使用，但是如果出現(xiàn)非線性問題，反應(yīng)譜理論就會(huì)不適用，無法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

(2)無法分析振動(dòng)的空間效應(yīng)，從而導(dǎo)致反應(yīng)譜理論無法合理的對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性分析。

4.2 計(jì)算步驟與過程

在進(jìn)行反應(yīng)譜理論分析之前要收集強(qiáng)震記錄，對強(qiáng)震記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析獲取原始資料。然后對結(jié)構(gòu)物自身頻率進(jìn)行計(jì)算分析，求得結(jié)構(gòu)物各個(gè)振型的最大反應(yīng)值。最后選取最優(yōu)方法求得所有振型中最大反應(yīng)值。

5 結(jié)論與展望

本文通過對實(shí)際施工中經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，并結(jié)合結(jié)構(gòu)分析模擬得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)鋼結(jié)構(gòu)廠房的連接部位十分重要，連接部位作為結(jié)構(gòu)損壞的重災(zāi)區(qū)在施工中一定要嚴(yán)密布控，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙施工。

(2)支撐體系作為鋼結(jié)構(gòu)廠房重要的承重構(gòu)件必須要加強(qiáng)施工管理，不得隨意更改圖紙與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

(3)保溫材料作為特殊材料一定要嚴(yán)格進(jìn)行例如防水等特殊處理，一旦損壞會(huì)直接影響鋼結(jié)構(gòu)廠房的直接使用。

(4)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的自振頻率與結(jié)構(gòu)跨度有著一定的聯(lián)系

(5)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的豎向振型對結(jié)構(gòu)的整體受力特性的影響比較小，在實(shí)際工作中可以忽略不計(jì)。

(6)反應(yīng)譜理論是現(xiàn)今分析結(jié)構(gòu)抗震性能的主要分析方法，對于大多數(shù)結(jié)構(gòu)，均可以較好地運(yùn)用于鋼結(jié)構(gòu)廠房抗震性能的分析中去。

(7)反應(yīng)譜理論由于對空間特性考慮不夠，如果分析對象對空間振型有要求則應(yīng)輔助以其他分析方法。

[1] 陳紹蕃,顧強(qiáng).鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[2] 郭繼武,等.建筑抗震設(shè)計(jì)[M].高等教育出版社,1990.

[3] 束煒.門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與模態(tài)有限元分析[D].安徽:合肥工業(yè)大學(xué),2004.

[4] 石巍.單層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房抗震性能分析[J].西安:西安建筑科技大學(xué),2013.

[5] 李國強(qiáng),李杰,蘇小卒.建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.